介质阻挡放电等离子体降解工业印染废水研究

曾志根

（深圳市福田区环境技术研究所有限公司，广东 深圳 518000）

将轻工业废水经过适当处理后变成可再利用的水资源是一项具有重大研究意义的课题。纺织业的印染废水产生量不容忽视[1]。工业染料废水通常使用物理、化学或生物等方法处理[2-4]。如果单独使用某种方法处理，其结果有一定局限性，所以需要研发更先进的技术，等离子体技术逐渐进入大众视野。

等离子体由自由电子和大量带正电或负电的离子组成，是一种电离了的“气体”，呈高度不稳定状态[5-6]。等离子体根据热力学平衡主要分为2大类，即热等离子体和低温等离子体。其中低温等离子体技术是一种应用范围广泛的氧化技术，常常用于工业印染废水的降解等方面。介质阻挡放电是一种高气压下的非平衡放电，更具体来说是在2个放电电极（高压电极和接地电极）中间加入石英、陶瓷、云母和玻璃等绝缘介质，使得放电电流由于阻挡作用而无法无限增长，削弱了气体被完全击穿的能力，最终不会产生电弧或火花。

介质阻挡放电反应器一般为板-板式或柱-筒式，研究者们为达到更佳的工业印染废水降解效果，经常会对反应器做出一定改善。梅述芳使用双介质阻挡放电技术处理降解双偶氮染料KN-B，得到优化的处理条件，此时脱色率可达到98.76%[7]；WANG等使用新型双腔室介质阻挡放电设备研究甲基蓝降解情况，对比得到优化条件下的降解效率氧气气氛远远高于空气气氛[8]；HAMA等以平面降膜为介电阻挡介质开发了一种新型的放电反应器，对甲基蓝的降解矿化率达到88%[9]。

本研究着手于介质阻挡放电等离子体技术在降解工业印染废水，考察不同的电极结构、放电间距、电压和放电气氛对印染废水降解的影响。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

介质阻挡放电等离子体装置（包含电源、反应器），CTP2000K；示波器，TBS1000C；COD快速检测仪，MI-80K COD。

印染废水，取自加工棉、麻、化学纤维及其混纺产品为主的印染厂经二级生化后的废水，除去表面油污和悬浮物后，其COD为20 mg/L。

1.2 实验装置

介质阻挡放电反应装置如图1所示。

图1 介质阻挡放电反应装置Fig 1 Dielectric barrier discharge reaction device

反应装置为密闭的容器，两端为高压放电电极，电极为铜网或铜片。电极电压通过高压电源进行升压，高压电极连有接地装置。印染废水通过注入口加入反应装置中。实验过程中通过示波器检测反应器电压电流，定期从出水口取样进行分析，反应结束废水从取样口流出。

1.3 放电机理

大气压介质阻挡放电由大量时间和空间上无规则分布的快脉冲电流细丝组成，这种电流细丝称作微放电。

介质阻挡放电通常是丝状放电，丝状放电的形成与产生流柱的演化发展密切相关。首先，随着外加电压增加，在外加电场的作用下，电子获得能量并与周围的原子、分子发生碰撞，碰撞产生出新的电子经电场再一次碰撞，从而使电子数量实现指数倍增，在短时间内形成电子雪崩，当电子雪崩发展到足够大时而形成流注，流注发展到阴极时，这个过程一般只需要几纳秒，在阳极和阴极之间建立起一个导电的弱电离通道，当电压达到击穿电压时，最终形成贯穿整个放电空间的丝状放电通道，随后大量的电子通过流注通道积累到阳极介质板上，因此，表面电荷与空间离子之间形成与外加电场相反的内生电场，电子的不断积累导致内生电场的增大，直到内外电场相等，放电熄灭，这一过程一般持续时间很短，从发生电子雪崩到放电熄灭这一过程被称为一次“微放电”。在同一位置上，只有采用交流电才可以产生连续的放电与熄灭过程，在此过程中产生大量的活性粒子。

1.4 COD去除率的测定

介质阻挡放电等离子体采用空气放电，反应时间为10 min，反应过程中间隔2 min 在取样口取样分析，分析结束式样通过印染废水注入反应器中。

2 结果与讨论

2.1 电极结构对COD去除率的影响

电极结构对印染废水降解的影响如图2所示。

图2 电极结构对COD去除率的影响Fig 2 Effect of electrode structure on COD removal rate

由图2 可知，随着电极铜网筛孔孔径的减小，印染废水COD 降解效果越好，而铜片电极降解效果最佳。原因是随着铜网筛孔孔径减小，铜网之间交叉点增加，放电更加密集，从而形成了更多的活性粒子。与此同时，还发现放电初期COD 去除率增加很快，后期随着时间缓慢增加，可能是放电初期形成的大量活性粒子将印染废水中的染料分子分解成小分子，但是未完全分解成二氧化碳和水，一定程度上抑制了印染废水的分解效果，从而COD去除率增长缓慢。

2.2 输入电压对COD去除率的影响

不同输入电压对印染废水COD 去除率的影响如图3所示。

图3 输入电压对COD去除率的影响Fig 3 Effect of input voltage on COD removal rate

由图3 可知，随着输入电压增加，印染废水COD 的去除率随之增加，但与输入电压的增加相比，COD的去除率增加缓慢。

图4是等离子体反应器内部、外部放电功率的比较。

图4 等离子体反应器内外部放电功率的比较Fig 4 Comparison of internal and external discharge power of plasma reactor

由图4可知，随着输入电压增加，等离子体反应器内部放电功率和外部放电功率同时增加，当输入电压为100 V时，外部放电功率和内部放电功率最为接近，说明此时等离子体功率的转化性能最好，同时，结合图4 分析，优化的输入电压为100 V。

2.3 放电距离对COD去除率的影响

不同放电间距对印染废水COD 去除率的影响如图5所示。0 mm表示两电极紧贴液面，

图5 放电间距对COD去除率的影响Fig 5 The effect of discharge spacing on COD removal rate

由图5 可知，随着放电距离增强，COD 去除率先增加后降低，原因是放电距离增加会减弱丝状放电效果。但放电距离过小，等离子体反应器放电会产生一定的热效应，反应热会影响环境湿度，从而影响放电介质气氛，水分越大越不利于放电，水蒸气会抑制丝状放电的发生，形成流注放电。当两电极紧贴页面放电时，则放电完全变成液相放电，而液相放电击穿电压较高，因而不利于放电发生，从而降低对印染废水的降解效果。

2.4 放电气氛对COD去除率的影响

不同放电气氛对印染废水COD 去除率的影响如图6所示。

图6 放电气氛对COD去除率的影响Fig 6 Effect of discharge atmosphere on COD removal rate

由图6 可知，空气放电时COD 去除率最高，氮气次之，氩气最差。原因是等离子体放电可以产生大量的自由电子，与气体分子发生碰撞产生大量的激发态粒子，一些活性粒子轰击污染物分子从而使其直接降解，一部分轰击水分子产生活性物质，如氧原子、臭氧、过氧化氢和超氧自由基等，其反应过程为[10]：

与此同时等离子体放电过程会产生紫外光，紫外光可以加速氧气到臭氧的生成，形成协同效应，因而提高其对印染废水的降解率。

2.5 优化放电条件下的COD去除率

采用空气气氛放电、放电间距3 mm、放电电压100 V、铜片电极条件下考察优化放电条件下降解印染废水，5次实验结果见表1。

表1 优化条件下的COD去除率Tab 1 COD removal rate under optimized conditions

由表1可知，优化放电条件下降解印染废水的效果比较稳定，其COD 去除率在56%左右，具有较好的重复性。

3 结 论

以印染厂经二级生化后的废水，采用介质阻挡放电等离子体技术，以COD 去除率作为降解评价指标，研究了不同电极结构、放电电压、放电功率以及放电气氛对降解印染废水的影响。

结果表明，电极结构会影响印染废水的降解效果，铜网越密集，放电效果越好，降解效果越好。放电电压越高放电功率越大，降解效果越好，当放电输入电压为100 V 时，内部功率和外部功率接近，功率转化效率最高。同时，随着放电距离增加，降解效果先增加后减小，当放电间距为3 mm时，降解效果为佳。空气放电高于氮气和氩气气氛放电，因为空气气氛放电不仅可以产生大量活性粒子，还可以产生臭氧，形成协同效应。